将学校科学带向生命：自我收集数据的个性化、背景和反思

摘要：我们研究了移动和传感器技术在学校科学调查中的使用，以带来一种更吸引人和更有实践性的科学学习方法。我们报告了在参与项目中进行的两个试验的早期发现，该项目的学生获得了一系列现成的和新开发的技术来执行数据收集和分析任务。有迹象表明，不仅涉及学生的任务，而且诸如数据的个性化、上下文信息、以及对数据及其收集的反思等方面，都是获得和保持他们兴趣的重要因素。

关键词：日常生活联系；科学教育；物理教育；小学水平

1.介绍

社会建构主义的学习方法既强调实践经验，也强调与同龄人和他人的社会互动。这意味着一种文化适应或学徒制的教育模式，即学习者根据他们的经验构建意义，在给定的社会和物理背景下构建意义。我们感兴趣的领域是科学教育，之前的工作表明，提供科学过程的真实体验元素可以增加学生对对学校科学[1]的参与。通过“真实的科学经验”，我们指的是专业科学家每天进行的活动。这些数据往往是社会性的（因为大多数科学家都在团队中工作），包括收集和分析数据，将新结果与早期的结果联系起来，并交流他们的发现。因为这些活动与我们在日常生活中所做的事情没有太大的区别，我们很容易开始超越科学作为困难的概念，远离日常经验。

我们建立在之前的工作基础上，如环境木[2]，其中儿童从事技术增强的实地研究。他们被鼓励探索和反思物理环境，识别植物和动物物种，并使用传感器来测量非生物因素，如光和水分水平。相关信息通过手持Ada发送给他们，他们有机会在他们自己和成人主持人之间反思和讨论他们的经历。

其他工作更进一步，使学生和教师能够与其他人比较和讨论他们的研究结果，不仅在自己的教室里共存，而且在学校之间远程合作，甚至可能与专业科学家合作。例如，European和他的同事[3,4,5]提供了基于互联网的环境科学活动，其中包括专业科学家使用的分析和可视化工具的改编版本。他们的目标是用“虚拟学习环境”取代传统的教室，即由科学家、教师和学生组成的分布式社区，他们的互动由互联网和其他数字技术促进。

随着技术的进步，随着电子科学作为生物技术和物理等“大型科学”领域大规模合作努力的出现，引发了人们对电子科学对教育目的的潜力的新兴趣[6]。诸如感官等项目[7]探讨了儿童使用传感器来监测道路交通对环境的影响，以及对一个更大的规模，BBC的春季观察[8]结合了广播和互联网资源，允许公众提供数据，以生成季节变化的全国图景。

在本文中，我们利用提供真实的科学经验的想法，以及我们自己对在[9]学校工作的实际问题的经验，描述了在参与项目中进行的两套试点试验。学生们获得了一系列的移动技术和传感器技术来从事数据收集和分析任务。

2.参与项目

参与是一个大规模的合作项目，旨在使用广泛的技术，为学生、电脑玩家和社区团体之间的环境辩论提供信息。我们鼓励参与者以文本、图像和视频的形式贡献他们自己的材料，而不是仅仅是专业制作内容的消费者。项目合作伙伴包括巴斯大学和诺丁汉大学、英国BC、英国电信、微软、科学范围（一家数据记录器制造商)和爆炸理论(一家艺术公司）。

3.学校的旅行

试点试验于2006年和2007年进行。学校为学生提供了收集、分析、展示、讨论和分享环境数据的工具。在第一次只涉及两所学校的试验中，所有的课堂会议都被录制下来。在第二次试验中，涉及多达13所不同参与级别的学校，只拍摄了一个会议样本。但是，活动的扩大意味着我们也可以收集其他形式的数据，我们将进一步参考这些数据。

目前正在进行一项综合试验，并将在学校、游戏和社区主题下进行的工作合并为一个全国性的运动。

试验1

本研究早在参与项目的早期进行。活动以孩子们在家和上学之间的日常旅行为中心。两所学校的13-15岁学生被借给了一台笔记本电脑PC与谷歌地球安装科学范围绘图软件，五套数据收集设备。这些包括一个科学范围日志数据记录器，学生可以选择的传感器，诺基亚66系列手机和项目中开发的声音传感器软件，通过蓝牙连接到GPS单元，想法是所有的纬度、经度和声音数据将保存在手机的内存中，到一个有时间戳的KML文件中，可以作为谷歌地球上高分辨率3D地图上的轨迹显示。日志日志中的传感器数据将作为传统的折线图分别显示。此外，还提供了一次性照相机和笔记本电脑。一旦学生们收集并下载了他们的数据，他们就会有一个或多个由老师领导的会议来处理这些数据。

数据收集

学生们在回家时轮流携带一套数据收集设备，沿途收集诸如一氧化碳(CO)、声音和温度等参数的数据。的想法是产生一个快照，他们每天经历的条件，促进讨论他们的个人旅程，无论是通过汽车、公共汽车、自行车或步行，影响当地的环境和生活质量，以及他们遇到的环境条件可能反过来影响他们。然后将数据下载到笔记本电脑上。

使用数据

学生们被告知，试验将包括以前没有在学校测试过的新技术，因此，他们可能会遇到技术问题。这种不确定性非常符合我们的科学真实性的职权范围，学生们也很好地处理了它。然而，唯一值得注意的问题是由于软件问题，手机和GPS之间的连接间歇性丧失。尽管如此，学生们还是成功地与手机同时收集了声音和GPS数据的短序列。然后，项目团队操纵这些数据，将它们可视化为谷歌地球上的数据轨迹。日志中的数据被下载到科学范围的绘图软件(Discordant)，以彩色折线图显示。

学生们对谷歌地球公司非常着迷可视化。这些路径引发了关于所采取的路线以及数据峰值的可能原因的大量讨论。图1显示了本试验中产生的数据跟踪示例。

在谷歌地球上的一个数据轨迹从试点试验。

也许更令人惊讶的是，学生们收集到的另一种看似相当乏味的材料也引起了几乎同样高的兴趣。这包括时间和日期印线图，一些质量相当差的照片和一些手写笔记。虽然这些数据缺乏谷歌地球的影响然而，学生们还是花了很长时间来检查他们，试图理解他们的结果。视频分析显示，有一组女孩花了大约45分钟的时间讨论这一材料。首先，他们确定了谁收集了图表所代表的各个数据集，并在可能的情况下 将它们与照片联系起来。他们这样做是为了记忆；每个人都大声地记得她在旅途中拍摄的设备，并认出照片中显示的地标或事件。这一过程涉及到相当多的讨论、相互促使和对事件的重建。一旦他们建立了数据集的所有权，他们就会继续讨论在图表上的不同点可能发生了什么，使用可用的照片来假设因果关系。虽然这些数据看起来并不令人兴奋，而且解释需要相当大的努力，但他们之所以动力这样做，是因为这些材料是他们个人提供的，并反映了他们自己的活动。

有进一步反思的机会

为了结束试验，BBC的同事们在每所学校举办了一个“60秒的科学家”电影制作研讨会。一群学生小组被帮助以试验活动为中心制作短片。每个小组都有一个主题或问题来建立他们的想法，并展示如何制作故事板、拍摄和编辑自己的短片。这一天结束时，人们普遍观看了所有的电影。这项活动密集而吸引人，鼓励学生们同时反思自己的活动，并更广泛地反思环境问题。他们花了很多时间讨论他们的经历，并寻找关于他们的主题的更多信息。我们在第二次试验中加入了一个改编版的“60秒科学家”。进一步研究使用电影作为一种巩固学习和促进反思的工具，甚至作为一种评估工具，来衡量学习，将是值得的。

试验2

试验2的规模更大，涉及13所不同参与级别的学校。相关的活动也在年轻人的校外活动中举行，比如今年在英国南部举行的世界童子军聚会。与之前的试验一样，使用了数据记录器、传感器和GPS，尽管根据修订的研究要求、参与者的反馈，以及使活动更适合多所学校参与的需要，对技术进行了一些变化。例如，这次我们没有使用手机，因为难以提供手机的数量需要扩展的试验，也由于需要技术团队的成员负责电话软件集中在其他领域的工作。我们保留了引人注目的谷歌地球可视化，或谷歌地图，如果是首选。这一次，来自记录器和GPS的数据被下载到一个名为JData3D的程序中，由项目团队的成员制作。这个程序自动显示时间和位置戳数据作为谷歌地球上的轨迹。此外，学生的数字照片可以与数据合并，并通过点击数据轨迹上的定位器来打开。

为支持数据的存储和共享，已经开发了一个安全的网站(WWW.nonparticipating.co.UK)。教师可以以数字海报和短片的形式控制学生群体的设置、访问网站的不同区域、上传数据轨迹和课堂工作。创建这些内容的说明请在网站上。因此，该网站能够在参与的学校之间受控地共享数据和其他材料，同时仍然保持儿童个人数据的安全和隐私。观察结果表明，数据可视化和学生生成的材料的结合作为一种学习和分享工具是引人注目的，吸引学生和令人鼓舞的讨论。

除了视频分析之外，我们还为本试验设计了测试前和测试后的学生问卷，以衡量试验过程中受试者知识和合作态度的变化，并且仅在测试后问卷的情况下，引出对可用性的反馈。此外，在试验活动期间和之后，还对教师进行了访谈。迄今为止，只对这些材料进行了有限的分析。

4调查结果

感官项目[7]展示了提供关于科学数据收集背景下的信息的重要性，以促进学生理解数据的重要性。通过数据收集过程的视频片段提供背景信息。当视频与图表中的CO数据一起显示时，孩子们讨论并反思了这些活动和调查结果。在参与的过程中，我们发现上下文信息是促进理解的一个重要因素。本实例中的上下文是通过谷歌Earth中的数据轨迹提供的，清楚地显示所采取的路线，以及沿着后续路径测量的参数水平。可以通过链接的照片提供额外的上下文信息。

除了上下文问题外，有迹象表明，数据的个性化和提供有趣的活动来帮助学生反思他们所做的事情，也具有重要意义。学生们渴望拥有数据的所有权，对于平淡的数据形式，如折线图，以及更丰富的材料，似乎也是如此或者谷歌地图可视化和照片，当学生收集自己的数据时，他们有动机比他们更大的努力来理解它的意义，例如在教科书中显示的类似的材料。反思在学习中的重要性是众所周知的，是[10]各学科专业培训的关键因素。我们的观察表明，可以通过各种方式提供反思的机会，如讨论、处理和解释自我收集的数据，以及根据活动创建和分享海报和电影等材料。

5.讨论与进一步工作

早期的发现提出了许多问题，我们目前正在设计进一步的研究来解决这些问题。例如，关于背景信息，在第二次试验中进行的一些研究表明，提供超过最佳数量的背景信息，可以，而不是促进讨论，可以减少讨论结果的时间。在一个例子中，谷歌的地球在大屏幕上自动下载的相关照片的可视化，虽然很吸引人（确实是路人经常挤在四周看），但并没有像第一次试验中产生的折线图或谷歌Earth的实例那样引起那么多的讨论可视化显示没有添加照片。当反思和讨论活动减少或缺席时，学习可能不太可能被保留。

我们意识到，在大型网络上的数据分布可以消除由本地经验提供的现实世界设置中丰富的上下文因素。因此我们需要发现上下文信息所需的那些参与了数据的收集，和那些查看其他人的数据当他们没有出现在收集期间，是相同或不同的，根据需要达到足够的上下文数据的平衡来个性化的体验，而不使它如此无缝，不再需要讨论。我们还需要更密切地调查哪些类型的数据收集后活动在反思方面最有效。这可能会根据相关学生的年龄和能力而有所不同。

学生和老师告诉我们，在进行科学实验时，一次性学习是不够的，即从一个只进行了一次、没有机会重复的实验中得出有效的结论不是“好的科学”。它也是当您第一次在没有基线数据的情况下进行数据收集活动时，很难理解读数的范围或意义。例如，一组学生在检查光数据时问到“正常”的光水平是什么。只有在随着时间的推移和一天的不同时间测量光水平时，才能对数据的意义有了一定的理解。所有这些都意味着将这项技术长期留在学校，而不是在短期贷款的基础上，并熟悉教师和研究团队的使用。一种可能性是在当地放置固定的传感器，儿童可以反复收集数据，以便他们有特定的调查点。另一项研究是以多所学校可以参加的特定运动或教会的形式进行调查。项目小组目前正在考虑如何在全国试验中提供这种机会。

6.结论

我们的分析仍处于早期阶段。然而，有迹象表明，这些策略通过为学生提供科学工作的真实体验的元素，来有效地吸引他们对科学的兴趣。课程相对不灵活的性质，只允许个别主题的时间有限等因素，可能是有问题的。然而，如果我们希望让儿童参与科学，我们这样做的意图是产生未来的科学家，或更广泛的是，以确保下一代将装备参与科学主题的知情辩论，我们觉得这类工作有潜力。

7.确认

非常感谢我们的资助者，英国的技术战略委员会和工程和物理科学研究委员会，所有的项目合作伙伴，以及参与这项研究的学校、教师和学生。

8.参考文献

[1]D.Wood gate, D. Stanton Fraser and D. Reline (2007), lsquo;Providing an Authentic Scientific Experience: Technology, Motivation and Learningrsquo;, pp. 5-14, Workshop o

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Bringing School Science to Life: Personalization, Contextualization and Reflection of Self-Collected Data

Dawn Woodgate¹, Danaeuml; Stanton Fraser¹, Mark Paxton², David Crellin³, Adrian Woolard⁴ and Teresa Dillon⁵

1CREATE Group, Department of Psychology, University of Bath, UK, ² MRL, University of Nottingham, UK, ³ Science Scope, Bath, UK, ⁴ British Broadcasting Corporation, UK, ⁵ Polar Produce, Bristol, UK.

D.Woodgate@bath.ac.uk

Abstract

We investigate the use of mobile and sensor technologies for school science investigations, to bring about a more engaging and hands-on approach to science learning. We report early findings from two trials carried out within the Participate project, where schoolchildren were given a range of off the shelf and newly developed technologies to carry out data collection and analysis tasks. Indications are that, not only are the tasks engaging for the pupils, but aspects such as personalization of data, contextual information, and reflection upon both the data and its collection, are important factors in obtaining and retaining their interest.

Introduction

Social constructivist approaches to learning emphasize both hands-on experience, and social interactions with peers and others. This implies an acculturation or apprenticeship model of education, where learners construct meaning based on their experiences, within a given social and physical context. Our field of interest is science education, and previous work has shown that providing elements of an authentic experience of the scientific process can increase pupilsrsquo; interest in, and engagement with school science [1]. By lsquo;authentic scientific experiencersquo; we refer to activities that professional scientists carry out on a day to day basis. These tend to be social in nature (since most scientists work in teams), and include collecting and analysing data, relating new results to earlier ones, and communicating their findings. As these activities

do not greatly differ from the things that we do as we go about our everyday lives, it is easy to start to move beyond the idea of science as difficult, and remote from everyday experience.

We build upon previous work such as Ambient Wood [2], where children engaged in a technologically-augmented field study. They were encouraged to explore and reflect upon the physical environment, identifying plant and animal species, and using sensors to measure abiotic factors such as light and moisture levels. Related information was sent to them via handheld PDAs, and they were given opportunities to reflect upon and discuss their experiences amongst themselves, and with adult facilitators.

Other work has gone a step further, allowing pupils and teachers to compare and discuss their results with others, not only co-present within their own classrooms, but also remotely across schools, and even, potentially, with professional scientists. For example, Roy Pea and his colleagues [3,4,5] provided internet-based environmental science activities which included adapted versions of the analytical and visualization tools used by professional scientists. Their aim was to replace traditional classrooms with lsquo;virtual learning environmentsrsquo;, distributed communities of scientists, teachers and students, whose interactions are facilitated by the internet and other digital technologies.

Technical advances, alongside the emergence of eScience as an aid to large scale collaborative endeavours in lsquo;big sciencersquo; fields such as biotechnology and physics, have sparked new interest in the potential of eScience for educational purposes [6]. Projects such as Sense

[7] explored childrenrsquo;s use of sensors to monitor the environmental impact of road traffic, and on

a much larger scale, the BBCrsquo;s Springwatch [8] combined broadcast and internet resources to allow members of the public to contribute data to produce a national picture of the changing seasons.

In this paper, we draw upon the idea of providing authentic scientific experiences, and our own experience of the practical issues of working in schools [9], in describing two sets of pilot trials carried out within the Participate project. School pupils were given a range of mobile, and sensor technologies to engage in data collection and analysis tasks.

The Participate Project

Participate is a large scale collaborative project which aims to use pervasive technologies to inform environmental debate, among groups such as school pupils, computer gamers and community groups. Participants are encouraged to contribute their own material, in the form of text, images and video, as opposed to being mere consumers of professionally produced content. Project partners are the Universities of Bath and Nottingham, the BBC, British Telecom, Microsoft, Science Scope (a datalogger manufacturer), and Blast Theory (an arts company).

The Schools Trials

Pilot trials took place during 2006 and 2007. School pupils were provided with tools to collect, analyse, display, discuss and share environmental data. During the first trial, which involved two schools only, all classroom sessions were video recorded. In the second trial, involving up to 13 schools at various levels of engagement, only a sample of the sessions were videoed. However, expansion of activities meant that we could also collect other forms of data, to which we refer further on.

Work is currently in progress towards an integrated trial which will merge work carried out under the schools, gaming and community themes into a national campaign.

Trial 1

This study took place early on in the Participate project. Activities were centred around the

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